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Equipos de bajo coste para monitorizar la calidad del aire en ZBE

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Y para conocer la calidad del aire en los municipios de más de 20.000 habitantes

Publicado el RD 1052/2022 por el que se regulan las Zonas de Bajas Emisiones.

El RD 1052/2022, de 27 de diciembre, por el que se regulan las Zonas de Bajas Emisiones, en las que se prevé la limitación del acceso, la circulación y el estacionamiento a los vehículos más contaminantes, contribuirá al cumplimiento de los objetivos de mejora de la calidad del aire y mitigación del cambio climático, además de favorecer la mejora de la calidad sonora, el impulso del cambio modal y la promoción de la eficiencia energética en el uso de los medios de transporte. 

El objetivo es la mejora de la salud de la ciudadanía y la calidad de vida urbana, impulsando una movilidad más sostenible e inclusiva con menor impacto en la calidad del medio ambiente acústico, y fomentando la movilidad activa y la recuperación del espacio público. En lo que se refiere al contenido mínimo del proyecto de zonas de bajas emisiones, destacar que incluye la delimitación del perímetro de la ZBE, incluyendo la delimitación de las vías urbanas o barreras naturales que delimitan su perímetro, y la ubicación de estaciones de medición de calidad del aire (mapa, coordenadas geográficas) o puntos de muestreos definidos para las campañas de los indicadores de calidad del aire, así como para áreas de superación de los valores límite, en su caso.

Señala también que las entidades locales establecerán un sistema de monitorización y seguimiento continuo con el fin de evaluar la eficacia de las medidas adoptadas y el cumplimiento de los objetivos establecidos y, en caso de que se produzcan desviaciones con respecto a los mismos, modificar el proyecto de ZBE correspondiente. 

La monitorización y el seguimiento de la calidad del aire a los efectos del cumplimiento de los objetivos indicados, se efectuará de conformidad con los objetivos de calidad de los datos previstos en el RD 102/2011 de mejora de la calidad del aire. Estos objetivos objetivos de calidad de los datos se establecen en cuanto a la incertidumbre, captura mínima de datos y cobertura temporal mínima, quedando detallados en el Anexo V del RD 102/2011.

Este sistema de monitorización de las ZBE debe posibilitar el seguimiento de la evolución de la calidad del aire y del ruido también en las zonas colindantes, con vistas a evitar que las medidas adoptadas repercutan negativamente en otras áreas.

El RD 102/2011 establece que para medir las concentraciones de los contaminantes se ha de utilizar instrumentación basada en un método de medida de referencia (Anexo VII). Así por ejemplo, el método de referencia para la medición de dióxido de nitrógeno es la  quimioluminiscencia y para el material particulado el método de referencia es el método de medición gravimétrico. Sin embargo, dicha legislación también permite el empleo de otros métodos de medida si se puede demostrar que da resultados equivalentes al método de referencia.

Potencial de los sensores de bajo coste para medir la calidad del aire.

Los equipos de medida de calidad del aire basados en sensores de bajo coste son cada vez más populares, y los avances tecnológicos permiten a todo el mundo desempeñar un papel activo en la vigilancia de la contaminación atmosférica y contribuir a mejorar la calidad del aire. 

Cuando hablamos de tecnología de medida de calidad del aire de bajo coste, normalmente nos referimos a dispositivos basados en sensores electroquímicos para gases y sensores ópticos para partículas. Estos dispositivos son una alternativa rápida, versátil y de bajo coste, que permiten la vigilancia de la contaminación atmosférica con mayor densidad espacial que los métodos tradicionales de referencia definidos en la directiva 2008/50/CE, además de poder ofrecer medidas en tiempo real mejorando la gestión de la calidad del aire de un entorno.

En la actualidad existen en el mercado una gran variedad de fabricantes y precios de este tipo de soluciones. No obstante, debido al tipo de tecnología que utilizan, poseen ciertas limitaciones que pueden llegar a ser determinantes en el resultado final.

Para evaluar la calidad de los datos que ofrecen estos equipos se suelen utilizar parámetros como la linealidad o correlación entre la tecnología de bajo coste y una basada en un sistema de referencia o equivalente al sistema de referencia, la precisión, el tiempo de respuesta, la influencia de la temperatura y la humedad o la interferencia con otros contaminantes.

A continuación se expone cómo evaluar un equipo de tecnología de bajo coste atendiendo a la correlación con otro equipo equivalente al método de referencia.

Evaluar la calidad de los datos de un sistema de sensores de bajo coste.

Para evaluar el rendimiento de esta tecnología de medida de la calidad del aire basada en sensores de bajo coste se colocan ambos sistemas de monitorización en el mismo punto durante un periodo de tiempo relativamente largo (se considera representativa una muestra de entre 1 y 2 meses como mínimo). 

Existen distintas formas de evaluar cómo mide el dispositivo, una de las más comunes es a través de una gráfica de dispersión. Las gráficas de dispersión, visualizan la relación entre dos variables numéricas, de forma que una variable se muestra en el eje x, y la otra, en el eje y. En este caso, nos sirve para visualizar la relación entre un dato que ofrece el analizador de referencia y otro que ofrece el sensor de bajo coste. 

Cuando decidimos comparar datos a través de gráficas de dispersión, tenemos que fijarnos en las siguientes variables:

  • Coeficiente R²: esta variable indica cómo se correlacionan los datos del sensor de bajo coste con los del analizador de referencia. Se podría decir, que este coeficiente indica cuánto se parece la tendencia o variación del sensor de bajo coste a la de la estación de referencia. Esta es la primera variable que se debe de mirar para saber si los datos que ofrece un sistema de monitorización son fiables o no. Sin embargo, ahora veremos cómo no debe ser el único. Como regla general se podría decir que: 
  • R²<0.6 = mala
  • R²>0.6 = regular 
  • R²>0.7 = buena 
  • R²>0.8 = muy buena
  • R²>0.9 = excelente 

Si la R² fuese muy mala, no sería necesario mirar ninguna otra variable para saber que los datos que ofrece ese sensor son de muy mala calidad. Sin embargo, si consideramos que esta variable es buena, muy buena o incluso excelente, tendríamos que pasar a analizar los coeficientes de regresión lineal.  

Coeficientes de regresión lineal: estos coeficientes indican diferencias lineales entre el sensor de bajo coste y el equipo de referencia.

  • Pendiente: Este parámetro nos va a indicar cómo de cerca están los datos del sensor de bajo coste, de los datos del analizador o equipo de referencia. La pendiente puede ser mayor o menor que 1. Lo ideal es que este valor de pendiente sea lo más cercano a 1. Esto indicará, que estamos muy cerca del dato de referencia. En otras palabras, nos va a indicar si estamos sobreestimando o subestimando la medida. Es importante tenerlo en cuenta, ya que si este valor es por ejemplo de 3, significa que debemos multiplicar cada medida por 3 para llegar al nivel de calidad del dato de referencia.  
  • Offset o intervalo: por último, tenemos que tener en cuenta esta variable, que indica el error en la medida en valor absoluto. Es decir, el valor que tenemos que sumar o restar a la pendiente (ppb, ppm o µg/m3). Para determinar si este valor es bueno, malo o regular, debemos tener en cuenta el contaminante que estamos evaluando. Para las partículas, un offset >10 µg/m3 se considera malo, <10 bueno y <5 muy bueno.

Ejemplos de equipos de medida de calidad del aire basados en sensores de bajo coste.

En la actualidad podemos encontrar una gran variedad de equipos basados en sensores de bajo coste y estudios publicados que evalúan y comparan el rendimiento de estos sistemas de sensores. A continuación se citan dos ejemplos de organismos independientes evaluadores de sensores de calidad del aire de bajo coste, en EEUU (AQ-SPEC) y Francia (AIRPARIF- AIRLAB).

En EEUU la South Coast Air Quality Management District (Los Angeles, USA) lleva el programa  AQ-SPEC (Air Quality Sensor Performance Evaluation) que evalúa equipos basados en sensores de bajo coste siguiendo un protocolo publicado en su página web. Los equipos evaluados y los resultados obtenidos se pueden consultar en: http://www.aqmd.gov/aq-spec/evaluations/field. La tabla de equipos comerciales que miden material particulado y los resultados de la evaluación están disponibles en: http://www.aqmd.gov/aq-spec/evaluations/summary-pm

Francia es uno de los países europeos líder en el uso de equipos de bajo coste, que cuenta con la AIRPARIF, observatorio regional independiente de calidad del aire para la región metropolitana de París y AIRLAB (su laboratorio de innovación abierta) que organizan periódicamente el AIRLAB Microsensors Challenge. Este evento tiene como objetivo ofrecer una evaluación robusta e independiente del rendimiento de los microsensores, en condiciones reales de uso, para proporcionar una herramienta de apoyo a la decisión de los usuarios potenciales, al tiempo que promueve la innovación. Hasta el momento se han llevado a cabo tres ediciones del Desafío (en 2021, 2019 y 2018), y han permitido una evaluación completamente independiente de 122 dispositivos, a través de un jurado internacional de expertos. Los equipos evaluados y los resultados obtenidos se pueden consultar en: https://airlab.solutions/en/projets/challenge-microcapteurs-edition-2021-90

Entre los monitores portátiles de material particulado existentes en el mercado, destacamos el MONITOR PORTÁTIL AIRBEAM2 utilizado inicialmente por Kalapie http://kalapie.org/ en proyectos de ciencia ciudadana, y posteriormente, el modelo AIRBEAM3 utilizado por ConBici https://conbici.org  en el proyecto Cycling with Clean Air (https://cyclingwithcleanair.conbici.org/). Estos dispositivos están incluidos en el listado de medidores de calidad del aire evaluados por Air Quality Sensor Performance Evaluation Center, AQ-SPEC (http://www.aqmd.gov/aq-spec/sensors). Esta agencia independiente especializada en calidad del aire evalúa sensores de bajo coste en entornos controlados de laboratorio y de campo, proporcionando al público información sobre el rendimiento de estos sensores.

Imagen 1. Monitor portátil AirBeam3 a bordo de una bicicleta para medir PM2.5 utilizado en el proyecto de ciencia ciudadana Cycling with Clean Air de ConBici. 
Imagen 2. Resultados de la comparación realizada por AQ-SPEC al AirBeam3 con un equipo de medida equivalente al de referencia según la EPA: ver resultados.

El uso del monitor móvil AirBeam3 permite ver en la plataforma de datos abiertos AirCasting http://aircasting.habitatmap.org/mobile_map un mapa de distribución espacial del conjunto de mediciones de partículas PM2.5 (en colores en función de las concentraciones) realizadas en las ciudades a lo largo del tiempo: semanas, meses, años… Esta distribución espacial es muy intuitiva y permite ver el promedio del nivel de contaminación existente, por ejemplo durante un año, por barrios, calles, aceras, vías ciclistas, zonas verdes…

Estos monitores portátiles que recogen datos a nivel de la calle, permiten recopilar más información sobre la contaminación del aire en un área mucho más grande que las tecnologías tradicionales de monitoreo del aire que permanecen fijas en un solo lugar.

Los resultados de la evaluación AQ-SPEC realizada al AirBeam3 utilizado en el proyecto Cycling with Clean Air muestran buena correlación de las medidas de PM2.5 del AirBeam3 con las medidas de un monitor GRIMM cuyo sistema de medida está considerado Método Equivalente Federal (FEM) por la EPA (U.S.Environmental Protection Agency) para promedio de 1 hora. Los resultados son muy satisfactorios: 

  • 0.90 < R² < 0.92 excelente.
  • La pendiente de 0.99 es excelente.
  • El offset de 4.36 es muy bueno.

Regulación de los sistemas de sensores de bajo coste

Su uso está limitado por la escasa precisión de las mediciones que algunos sistemas de sensores pueden alcanzar y porque no existe un protocolo de evaluación capaz de garantizar la trazabilidad de las mediciones a las normas nacionales e internacionales. 

Sin embargo, la norma UNE-CEN/TS 17660-1:2021: “Calidad del aire. Evaluación del rendimiento de los sistemas de sensores de la calidad del aire. Parte 1: Contaminantes gaseosos en el aire ambiente” establece un protocolo que es coherente con los requisitos de las mediciones indicativas y la estimación objetiva definida en la Directiva de Calidad del Aire Europea 2008/50/CE. 

Se aplica a los sistemas de sensores, realizando evaluaciones exhaustivas y transparentes, evalúa las prestaciones de los sistemas de sensores de bajo coste y clasifica su rendimiento en el monitoreo de compuestos gaseosos en el aire ambiente regulados. Según los distintos requisitos de calidad de los datos que ofrece el sistema de sensores, la especificación los clasifica en:

  • “Clase 1”: coherente con objetivos de calidad de datos de las medidas indicativas
  • “Clase 2”: coherente con objetivos de calidad de datos de las estimaciones objetivas.  
  • “Clase 3”: datos que no son coherentes ni con objetivos de calidad de los datos de medidas indicativas ni de estimaciones objetivas. 

Lo que no establece esta norma, es un objetivo de calidad de datos obligatorio, solo una clasificación.  

Conclusiones

Para la monitorización y el seguimiento de la calidad del aire contemplado en el RD de ZBE, los monitores de calidad del aire de bajo coste juegan un papel muy importante, cuyos datos complementan a los obtenidos en las estaciones fijas de control de la contaminación atmosférica.

Además del coste de los dispositivos, habrá que tener en cuenta que los sensores sean fiables y precisos tras haber sido analizados por agencias independientes especializadas en calidad del aire, comparando los datos obtenidos con los de un equipo de referencia o equivalente. Para ello será imprescindible fijarse en las gráficas de dispersión con el coeficiente R² y el de regresión lineal, con su pendiente y offset o intervalo.

Finalmente, indicar que el monitor AirBeam3 utilizado en 2022 por ConBici y el voluntariado de AACC en el proyecto “Cycling with Clean Air”, desarrollado en 14 ciudades españolas, presenta una buena  correlación, tanto en el coeficiente R² como en su pendiente y offset o intervalo.

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